[发明专利]一种无线能量传输系统的E类功率放大器的设计方法

说明书

本发明属于无线电能传输技术领域，具体提供了一种无线能量传输系统的E类功率放大器的设计方法，通过在传统功率放大器中级联阻抗转换网络，使得负载变化线尽可能匹配参考线，从而得到高频高效率的E类功率放大器。该方法能够在增加负载的情况下提供增加/减少的功率，即使负载在大范围内变化，与传统的E类功放相比，CM和VM模式E类功放在WPT系统中表现出优异的性能，其效率也保持较高水平，且所有的电路参数都是固定的，没有使用控制单元。此外，与使用调谐方法的系统相比，电路复杂度和成本大大降低。

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线能量传输系统的E类功率放大器的设计方法。

背景技术

无线能量传输系统(即WPT)是当前的研究热点，为了达到更小的电路尺寸和更大的充电自由度的要求，WPT(Wireless power transmission)需要工作在新工作频率6.78MHz。逆变器的开关损耗在该频率下变得相当大，因此需要一种能够工作在6.78MHz下的高性能电源。电源应在动态充电环境下保持高效率，即线圈耦合失配和充电装置数量的变化。此外，电源需要能够工作在某种模式下，即作为电流源或电压源工作，且输出功率和负载的关系预先确定。具有一定操作模式的电源对并行多个充电系统特别有价值，其中电源的输出功率应适应充电设备的电源要求。

作为高频WPT系统的电源，传统的E类功放是一种很好的选择，其高效率和简单的拓扑结构。然而，它对负载变化敏感，既不能作为电流源也不能作为电压源，不能保证输出功率随功放负载而自动增加或减小。综上，传统的E类功放不足以适应真正的WPT实际应用。高效率CM(电流模式)和VM(电压模式)的E类功放对于高频高效率WPT具有广阔前景，尤其是对于并发多次充电系统。因此，研究无线能量传输系统中的高频高效率E类功率放大器的设计方法很有必要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中无线能量传输的高频高效E类功放设计难的问题。

为此，本发明提供了一种无线能量传输系统的E类功率放大器的设计方法，包括以下步骤：

在史密斯图中放置参考线来确定负载的阻抗R₁转换的目标位置；

然后通过构建阻抗转换网络使得负载变化线与参考线匹配进而确定所述阻抗转换网络中的电抗；

将传统功率放大器级联到所述阻抗转换网络中得到电流模式和电压模式下的E类功率放大器。

优选地，所述确定负载转换的目标位置步骤具体包括：

分别将传统功放、电流模式和电压模式的三类不同的E类功放的史密斯图中的参考线放于高效率区域内，使得参考线仅与每个功率轮廓相交一次，分别得到对应E类功放下的负载的阻抗R₁。

优选地，所述然后通过构建阻抗转换网络将负载转换至预期位置的步骤包括：确定负载的阻抗R₁后通过改变所述阻抗网络的电抗值使得负载变化曲线匹配参考线。

优选地，通过公式(1)和公式(2)确定所述阻抗转换网络的参数；

其中，Z₀是所述E类功率放大器的特性阻抗，Γ_Z的实部real(Γ_Z)和图像部分imag(Γ_Z)是X₁，X₂，X₃和R₁的函数，Z_in为输入阻抗，X₁，X₂，X₃均为阻抗转换网络中的电抗。